JP4478280B2

JP4478280B2 - 水素含有ガス中のｃｏ除去触媒の製造方法、及びその製造方法で製造された触媒、並びに該触媒を用いる水素含有ガス中のｃｏの除去方法

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Publication number: JP4478280B2
Application number: JP2000058558A
Authority: JP
Inventors: 孝梅木; 幸三高津; 哲也福永
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: JP2001239169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法、及びその製造方法で製造された水素含有ガス中のＣＯ除去触媒、並びに該触媒を用いる水素含有ガス中のＣＯの除去方法に関する。その水素含有ガスは燃料電池用の水素含有ガスとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池による発電は、低公害でエネルギーロスが少なく、設置場所の選択、増設、操作性等の点でも有利であるなど種々の利点を有することから、近年特に注目を集めている。燃料電池には、燃料や電解質の種類あるいは作動温度等によって種々のタイプのものが知られているが、中でも水素を還元剤（活物質）とし、酸素（空気等）を酸化剤とする、いわゆる水素−酸素燃料電池（低温作動型の燃料電池）の開発が最も進んでおり、今後ますます普及が見込まれている。
【０００３】
このような水素−酸素燃料電池にも電解質の種類や電極等の種類によって種々のタイプのものがあり、その代表的なものとして、例えば、リン酸型燃料電池、ＫＯＨ型燃料電池、固体高分子型燃料電池などがある。このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池等の低温作動型燃料電池の場合には、電極に白金（白金触媒）が使用されている。ところが、電極に用いている白金はＣＯによって被毒されやすいので、燃料中にＣＯがあるレベル以上含まれていると発電性能が低下したり、濃度によっては全く発電ができなくなってしまうという重大な問題点がある。このＣＯ被毒による触媒の活性劣化は、特に低温ほど著しいので、この問題は、低温作動型の燃料電池の場合に特に深刻となる。
【０００４】
したがって、こうした白金系電極触媒を用いる燃料電池の燃料としては純粋な水素が好ましいが、実用的な点からは安価で貯蔵性等に優れたあるいは既に公共的な供給システムが完備されている各種の燃料〔例えば、メタンもしくは天然ガス（ＬＮＧ）、プロパン、ブタン等の石油ガス（ＬＰＧ）、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油等の各種の炭化水素系燃料あるいはメタノール等のアルコール系燃料、あるいは都市ガス、その他の水素製造用燃料〕の水蒸気改質等によって得られる水素含有ガスを用いることが一般的になっており、このような改質設備を組み込んだ燃料電池発電システムの普及が進められている。しかしながら、こうした改質ガス中には、一般に、水素の他にかなりの濃度のＣＯが含まれているので、このＣＯを白金系電極触媒に無害なＣＯ₂等に転化し、燃料中のＣＯ濃度を減少させる技術の開発が強く望まれている。その際、ＣＯの濃度を、通常１，０００容量ｐｐｍ以下、好ましくは１００容量ｐｐｍ以下、更に好ましくは１０容量ｐｐｍ以下という低濃度にまで低減することが望ましいとされている。
【０００５】
上記の問題を解決するために、燃料ガス（改質ガス中の水素含有ガス）中のＣＯの濃度を低減させる手段の一つとして、下記の式（１）で表されるシフト反応（水性ガスシフト反応）を利用する技術が提案されている。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ （１）
しかしながら、このシフト反応のみによる反応では、化学平衡上の制約からＣＯ濃度の低減には限界があり、一般に、ＣＯ濃度を１％以下にするのは困難である。
【０００６】
そこで、ＣＯ濃度をより低濃度まで低減する手段として、改質ガス中に酸素又は酸素含有ガス（空気等）を導入し、ＣＯをＣＯ₂に変換する方法が提案されている。しかしながら、この場合改質ガス中には水素が多量存在しているため、ＣＯを酸化しようとすると水素も酸化されてしまい、ＣＯ濃度が十分に低減できないことがある。
【０００７】
この問題を解決するための方法としては、改質ガス中に酸素又は酸素含有ガスを導入してＣＯをＣＯ₂に酸化するに際し、ＣＯだけを選択的に酸化する触媒を使用する方法が考えられる。
ＣＯの酸化触媒としては、従来、Ｐｔ／アルミナ、Ｐｔ／ＳｎＯ₂、Ｐｔ／Ｃ、Ｃｏ／ＴｉＯ₂、ポプカライト、Ｐｄ／アルミナなどの触媒系が知られているが、これらの触媒は対湿度耐性が十分でなく、反応温度域が低くかつ狭く、また、ＣＯの酸化に対する選択性が低いため、改質ガスのような水素が多量に存在している中の少量のＣＯを１０容量ｐｐｍ以下の低濃度まで低減するためには、同時に大量の水素も酸化により犠牲にしなければならない。
【０００８】
特開平５−２０１７０２号公報には、水素富化ＣＯ含有ガスからＣＯを選択除去して自動車用燃料電池系に供給するためのＣＯを含まない水素含有ガスの製造方法が開示されている。触媒として、アルミナ担体にＲｈもしくはＲｕを担持したものが使用されているが、低いＣＯ濃度にしか適用できないという問題点があり、また低温における触媒活性についても改良の余地が残されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記観点からなされたもので、触媒活性が改良された水素含有ガス中のＣＯ除去触媒とその製造方法、かつその触媒を用いた水素含有ガス中のＣＯ酸化除去方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意研究の結果、特定の細孔分布を有するアルミナを担体として使用することにより、上記本発明の目的を効果的に達成しうることを見出し本発明を完成させるに到った。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
１．アルミナ又はアルミナ−チタニアを担体とし、該担体に活性金属化合物を担持する水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法において、細孔半径１００Å以下に細孔分布の極大値を有するアルミナを使用することを特徴とする水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
２．アルミナが細孔半径６０Å以下に細孔分布の極大値を有するものである上記１記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
３．活性金属化合物がルテニウム化合物（ａ）である上記１又は２に記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
４．活性金属化合物がルテニウム化合物（ａ）と、アルカリ金属化合物及び／又はアルカリ土類金属化合物（ｂ）からなるものである上記１〜３のいずれかに記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
５．上記１〜４のいずれかに記載の製造方法により製造された水素含有ガス中のＣＯ除去用触媒。
６．上記５記載の触媒を使用してＣＯを酸素で酸化して除去することを特徴とする水素含有ガス中のＣＯの除去方法。
７．水素含有ガスが、燃料電池用水素含有ガスである上記６記載の水素含有ガス中のＣＯの除去方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明について詳細に説明する。
先ず、本発明の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法について説明する。
本発明に用いる担体はアルミナ又はアルミナ−チタニアであるが、活性の点でアルミナが好ましい。
上記のアルミナ担体の原料としてはアルミニウム原子を含んでいればよい。通常用いられるものとしては、硝酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、アルミニウムアルコキサイド、擬ベーマイトアルミナ、α−アルミナ、γ−アルミナなどが挙げられる。擬ベーマイトアルミナ、α−アルミナ、γ−アルミナなどは硝酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、アルミニウムアルコキサイド等から作ることができる。
【００１２】
アルミナ−チタニア担体の製造方法としては、この両者からなる担体ができればどのような方法でもよいが、例えばチタニアとアルミナを混合する方法、アルミナ成形体（アルミナ粒子、粉末を含む）にチタニアを付着させる方法が好適に用いられる。チタニアとアルミナを混合する方法としては、チタニア粉末とアルミナ粉末または擬ベーマイトアルミナとを水とともに混合し、その後成形、乾燥、焼成する方法がある。成形には通常押出成形を用いればよく、その際有機物のバインダーを添加して成形性を向上させることができる。チタニアをアルミナバインダーと混合することによっても好適な担体が得られる。この場合、得られたチタニア／アルミナの質量比は１０／９０〜９０／１０であることが好ましい。
【００１３】
一方、アルミナ成形体にチタニアを付着させる方法としては下記のようにすればよい。有機溶媒中にチタニア粉末、および必要に応じ有機バインダー、擬ベーマイトアルミナ粉末を加えよく分散させる。この混合液（通常スラリー状である）にアルミナ成形体を浸して混合液が十分浸漬しアルミナ成形体上にチタニア粉末を付着させた後アルミナ成形体を取り出す。このアルミナ成形体を乾燥、焼成すればよい。または、チタニウムアルコキサイドまたは四塩化チタンとアルミナ成形体をアルコール中に加え、この溶液に水を加えてチタニウムアルコキサイドまたは四塩化チタンを加水分解して、アルミナ成形体上に水酸化チタンを沈殿させたものを乾燥、焼成してもよい。これらの付着方法からもわかるようにアルミナ成形体にチタニアを担持させる要領でチタニアを付着させてもよい。アルミナ成形体にチタニアを付着させる方法の場合は、得られたチタニア／アルミナの質量比は０．１／９９．９〜５０／５０、好ましくは０．５／９９．５〜５０／５０、さらに好ましくは１／９９〜５０／５０である。
両方の方法を含んで、チタニア／アルミナの質量比は０．１／９９．９〜９０／１０、好ましくは０．５／９９．５〜９０／１０、さらに好ましくは１／９９〜９０／１０である。
【００１４】
上記アルミナ−チタニア担体の製造方法に用いられるアルミナの原料としては、前記のアルミナ担体の場合と同様である。一方、チタニア原料としては、チタン原子を含むものであればよいが、通常はチタニウムアルコキサイド、四塩化チタン、アモルファスチタニア粉末、アナターゼ型チタニア粉末、ルチル型チタニア粉末などが挙げられる。アモルファスチタニア粉末、アナターゼ型チタニア粉末、ルチル型チタニア粉末などはチタニウムアルコキサイド、四塩化チタンなどから作ることができる。
【００１５】
本発明においては、上記のアルミナ、アルミナ−チタニア担体に使用されるアルミナは細孔半径１００Å以下に細孔分布の極大値を有するものであらねばならない。細孔半径１００Åを超えるところに細孔分布の極大値があるアルミナを使用すると、低温における触媒活性が低くなり、好ましくない。好ましくは、細孔半径６０Å以下に細孔分布の極大値を有するアルミナを使用すればよい。なお、アルミナの原料として擬ベーマイトアルミナを使用する場合には、担体を調製中（焼成後）にγ−アルミナに変化するので、その細孔分布を測定し求めるものとする。
また、上記の細孔分布はＮ₂吸着法で測定しＢＪＨ（Ｂａｒｒｅｔｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａ）法で解析したものである。
【００１６】
本発明においては、上記の担体に、活性金属化合物としてルテニウム化合物（ａ）、あるいは、ルテニウム化合物（ａ）と、アルカリ金属化合物及び／又はアルカリ土類金属化合物（ｂ）を担持する。
先ず、（ａ）成分の担体への担持について説明する。
（ａ）成分のルテニウム化合物を担体に担持するには、例えば、ＲｕＣｌ₃・ｎＨ₂Ｏ、Ｒｕ（ＮＯ₃）₃、Ｒｕ₂（ＯＨ）₂Ｃｌ₄・７ＮＨ₃・３Ｈ₂Ｏ、Ｋ₂（ＲｕＣｌ₅（Ｈ₂Ｏ））、（ＮＨ₄）₂（ＲｕＣｌ₅（Ｈ₂Ｏ））、Ｋ₂（ＲｕＣｌ₅（ＮＯ））、ＲｕＢｒ₃・ｎＨ₂Ｏ、Ｎａ₂ＲｕＯ₄、Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ₃）₃、（Ｒｕ₃Ｏ（ＯＡｃ）₆（Ｈ₂Ｏ）₃）ＯＡｃ・ｎＨ₂Ｏ、Ｋ₄（Ｒｕ（ＣＮ）₆）・ｎＨ₂Ｏ、Ｋ₂（Ｒｕ（ＮＯ₂）₄（ＯＨ）（ＮＯ））、（Ｒｕ（ＮＨ₃）₆）Ｃｌ₃、（Ｒｕ（ＮＨ₃）₆）Ｂｒ₃、（Ｒｕ（ＮＨ₃）₆）Ｃｌ₂、（Ｒｕ（ＮＨ₃）₆）Ｂｒ₂、（Ｒｕ₃Ｏ₂（ＮＨ₃）₁₄）Ｃｌ₆・Ｈ₂Ｏ、（Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＨ₃）₅）Ｃｌ₃、（Ｒｕ（ＯＨ）（ＮＯ）（ＮＨ₃）₄）（ＮＯ₃）₂、ＲｕＣｌ₂（ＰＰｈ₃）₃、ＲｕＣｌ₂（ＰＰｈ₃）₄、（ＲｕＣｌＨ（ＰＰｈ₃）₃）・Ｃ₇Ｈ₈、ＲｕＨ₂（ＰＰｈ₃）₄、ＲｕＣｌＨ（ＣＯ）（ＰＰｈ₃）₃、ＲｕＨ₂（ＣＯ）（ＰＰｈ₃）₃、（ＲｕＣｌ₂（ｃｏｄ））_n、Ｒｕ（ＣＯ）₁₂、Ｒｕ（ａｃａｃ）₃、（Ｒｕ（ＨＣＯＯ）（ＣＯ）₂）_n、Ｒｕ₂Ｉ₄（ｐ−ｃｙｍｅｎｅ）₂などのルテニウム塩を水、エタノール等に溶解させて得られる触媒調製液が用いられる。好ましくは、触媒活性の点でＲｕ（ＮＯ₃）₃が用いられる。
【００１７】
（ａ）成分の担体への担持は、上記触媒調製液を用いて、通常の含浸法、共沈法、競争吸着法により行えばよい。処理条件は、各種方法に応じて適宜選定すればよいが、通常、室温〜９０℃で１分〜１０時間、担体を触媒調製液と接触させればよい。
（ａ）成分の担持量は特に限定されないが、通常、担体に対してルテニウム金属として０．０５〜１０質量％が好ましく、特に０．３〜３質量％の範囲が最適である。このルテニウム含有量が少なすぎると、ＣＯの転化活性が不十分となる場合があり、多すぎると、ルテニウムの量に見合うＣＯの転化活性が得られず経済的に不利になる場合がある。
【００１８】
担体にルテニウム化合物を担持した後、乾燥させる。乾燥方法としては、例えば、自然乾燥、ロータリーエバポレーター、送風乾燥機で行えばよい。乾燥後、通常、３５０〜５５０℃、好ましくは３８０〜５５０℃で、２〜６時間、好ましくは２〜４時間焼成する。しかし、使用するルテニウム化合物によっては、焼成工程を省略した方がよい場合がある。例えば、硝酸ルテニウムを使用する場合、焼成工程を省略した方がよい。
【００１９】
次に、（ｂ）成分の担体への担持について説明する。
まず、アルカリ金属としては、カリウム、セシウム、ルビジウム、ナトリウム、リチウムが好適に用いられる。
アルカリ金属化合物を担持するには、例えば、Ｋ₂Ｂ₁₀Ｏ₁₆、ＫＢｒ、ＫＢｒＯ₃、ＫＣＮ、Ｋ₂ＣＯ₃、ＫＣｌ、ＫＣｌＯ₃、ＫＣｌＯ₄、ＫＦ、ＫＨＣＯ₃、ＫＨＦ₂、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＨ₅（ＰＯ₄）₂、ＫＨＳＯ₄、ＫＩ、ＫＩＯ₃、ＫＩＯ₄、Ｋ₄Ｉ₂Ｏ₉、ＫＮ₃、ＫＮＯ₂、ＫＮＯ₃、ＫＯＨ、ＫＰＦ₆、Ｋ₃ＰＯ₄、ＫＳＣＮ、Ｋ₂ＳＯ₃、Ｋ₂ＳＯ₄、Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₃、Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₅、Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₆、Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₈、Ｋ（ＣＨ₃ＣＯＯ）等のＫ塩；ＣｓＣｌ、ＣｓＣｌＯ₃、ＣｓＣｌＯ₄、ＣｓＨＣＯ₃、ＣｓＩ、ＣｓＮＯ₃、Ｃｓ₂ＳＯ₄、Ｃｓ（ＣＨ₃ＣＯＯ）、Ｃｓ₂ＣＯ₃、ＣｓＦ等のＣｓ塩；Ｒｂ₂Ｂ₁₀Ｏ₁₆、ＲｂＢｒ、ＲｂＢｒＯ₃、ＲｂＣｌ、ＲｂＣｌＯ₃、ＰｂＣｌＯ₄、ＲｂＩ、ＲｂＮＯ₃、Ｒｂ₂ＳＯ₄、Ｒｂ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、Ｒｂ₂ＣＯ₃等のＲｂ塩；Ｎａ₂Ｂ₄Ｏ₇、ＮａＢ₁₀Ｏ₁₆、ＮａＢｒ、ＮａＢｒＯ₃、ＮａＣＮ、Ｎａ₂ＣＯ₃、ＮａＣｌ、ＮａＣｌＯ、ＮａＣｌＯ₃、ＮａＣｌＯ₄、ＮａＦ、ＮａＨＣＯ₃、ＮａＨＰＯ₃、Ｎａ₂ＨＰＯ₃、Ｎａ₂ＨＰＯ₄、ＮａＨ₂ＰＯ₄、Ｎａ₃ＨＰ₂０₆、Ｎａ₂Ｈ₂Ｐ₂Ｏ₇、ＮａＩ、ＮａＩＯ₃、ＮａＩＯ₄、ＮａＮ₃、ＮａＮＯ₂、ＮａＮＯ₃、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＰＯ₃、Ｎａ₃ＰＯ₄、Ｎａ₄Ｐ₂Ｏ₇、Ｎａ₂Ｓ、ＮａＳＣＮ、Ｎａ₂ＳＯ₃、Ｎａ₂ＳＯ₄、Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₅、Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₆、Ｎａ（ＣＨ₃ＣＯＯ）等のＮａ塩；ＬｉＢＯ₂、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇、ＬｉＢｒ、ＬｉＢｒＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＬｉＣｌ、ＬｉＣｌＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＨＣＯ₃、Ｌｉ₂ＨＰＯ₃、ＬｉＩ、ＬｉＮ₃、ＬｉＮＨ₄ＳＯ₄、ＬｉＮＯ₂、ＬｉＮＯ₃、ＬｉＯＨ、ＬｉＳＣＮ、Ｌｉ₂ＳＯ₄、Ｌｉ₃ＶＯ₄等のＬｉ塩を水、エタノール等に溶解させて得られる触媒調製液を用いる。
【００２０】
アルカリ土類金属として、バリウム、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムが好適に用いられる。
アルカリ土類金属化合物を担持するには、例えば、ＢａＢｒ₂、Ｂａ（ＢｒＯ₃）₂、ＢａＣｌ₂、Ｂａ（ＣｌＯ₂）₂、Ｂａ（ＣｌＯ₃）₂、Ｂａ（ＣｌＯ₄）₂、ＢａＩ₂、Ｂａ（Ｎ₃）₂、Ｂａ（ＮＯ₂）₂、Ｂａ（ＮＯ₃）₂、Ｂａ（ＯＨ）₂、ＢａＳ、ＢａＳ₂Ｏ₆、ＢａＳ₄Ｏ₆、Ｂａ（ＳＯ₃ＮＨ₂）₂等のＢａ塩；ＣａＢｒ₂、ＣａＩ₂、ＣａＣｌ₂、Ｃａ（ＣｌＯ₃）₂、Ｃａ（ＩＯ₃）₂、Ｃａ（ＮＯ₂）₂、Ｃａ（ＮＯ₃）₂、ＣａＳＯ₄、ＣａＳ₂Ｏ₃、ＣａＳ₂Ｏ₆、Ｃａ（ＳＯ₃ＮＨ₂）₂、Ｃａ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、Ｃａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂等のＣａ塩；ＭｇＢｒ₂、ＭｇＣＯ₃、ＭｇＣｌ₂、Ｍｇ（ＣｌＯ₃）₂、ＭｇＩ₂、Ｍｇ（ＩＯ₃）₂、Ｍｇ（ＮＯ₂）₂、Ｍｇ（ＮＯ₃）₂、ＭｇＳＯ₃、ＭｇＳＯ₄、ＭｇＳ₂Ｏ₆、Ｍｇ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、Ｍｇ（ＯＨ）₂、Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂等のＭｇ塩；ＳｒＢｒ₂、ＳｒＣｌ₂、ＳｒＩ₂、Ｓｒ（ＮＯ₃）₂、ＳｒＯ、ＳｒＳ₂Ｏ₃、ＳｒＳ₂Ｏ₆、ＳｒＳ₄Ｏ₆、Ｓｒ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂、Ｓｒ（ＯＨ）₂等のＳｒ塩を水、エタノール等に溶解させて得られる触媒調製液を用いる。
【００２１】
（ｂ）成分の担持は、上記触媒調製液を用いて、通常の含浸法、共沈法、競争吸着法により行えばよい。処理条件は、各種方法に応じて適宜選定すればよいが、通常、室温〜９０℃で１分〜１０時間、担体を触媒調製液と接触させればよい。
（ｂ）成分の担持量は特に限定されないが、通常、担体に対して金属として０．０１〜１０質量％が好ましく、特に０．０３〜３質量％の範囲が最適である。この含有量が少なすぎると、ＣＯの選択的酸化活性が不十分となる場合があり、多すぎる場合も、ＣＯの選択的酸化活性が不十分となるとともに金属の使用量が必要以上に過剰になり触媒コストが大きくなる場合がある。
【００２２】
担体に（ｂ）成分を担持した後、乾燥させる。乾燥方法としては、例えば自然乾燥、ロータリーエバポレーター、送風乾燥機で行えばよい。乾燥後、通常、３５０〜５５０℃、好ましくは３８０〜５５０℃で、２〜６時間、好ましくは２〜４時間焼成する。しかし、使用するルテニウム化合物によっては、焼成工程を省略した方がよい場合がある。例えば、硝酸ルテニウムを使用する場合、焼成工程を省略した方がよい。
なお、（ａ）成分と（ｂ）成分の担持は、別々に行ってもよいが、同時に担持した方が触媒活性も高く、経済的にも有利である。
【００２３】
このようにして調製される触媒の形状及びサイズとしては、特に制限はなく、例えば、粉末状、球状、粒状、ハニカム状、発泡体状、繊維状、布状、板状、リング状など、一般に使用されている各種の形状及び構造のものが利用可能である。
上記調製された触媒を反応器に充填した後、反応前に水素還元を行う。水素還元は、通常、水素気流下、４５０〜５５０℃、好ましくは４８０〜５３０℃の温度で、１〜５時間、好ましくは１〜２時間行う。
【００２４】
以上のようにして得られる触媒に、水素を主成分とし、かつ少なくともＣＯを含有する水素含有ガスに酸素を添加して、ＣＯの酸素による選択的酸化反応を行う。本発明のＣＯの酸化除去方法は、改質反応及び部分酸化反応によって水素を含有するガスにできる水素製造用原料を改質又は部分酸化することによって得られる水素を主成分とするガス（以下、改質ガス等ともいう。）中のＣＯを選択的に除去するのに好適に利用され、燃料電池用水素含有ガスの製造に利用されるが、これに限定されるものではない。
【００２５】
以下、水素を主成分とするガス中のＣＯを酸化除去して燃料電池用等の水素含有ガスにする方法について説明する。
１．水素製造用原料の改質又は部分酸化工程
本発明においては、各種の水素製造用原料の改質等によって得られる改質ガス等に含まれるＣＯを触媒を用いて選択的に酸化除去し、ＣＯ濃度が十分に低減された所望の水素含有ガスを製造する。該改質ガス等を得るための工程は、以下に示すように、従来の水素製造工程、特に燃料電池システムにおける水素製造工程において実施あるいは提案されている方法など任意の方法によって行うことができる。したがって、予め改質装置等を備えた燃料電池システムにおいては、それをそのまま利用して改質ガスを調製してもよい。
【００２６】
まず、水素製造用原料の改質又は部分酸化について説明する。水素製造用原料として、水蒸気改質や部分酸化により水素に富んだガスを製造できる炭化水素類、具体的には例えば、メタン，エタン，プロパン，ブタン等の炭化水素、あるいは天然ガス（ＬＮＧ），ナフサ，ガソリン，灯油，軽油，重油，アスファルト等の炭化水素系原料、メタノール，エタノール，プロパノール，ブタノール等のアルコール類、蟻酸メチル，メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ），ジメチルエーテル等の含酸素化合物、更には、各種の都市ガス、ＬＰＧ、合成ガス、石炭などを適宜使用することができる。これらのうち、どのような水素製造用原料を用いるかは、燃料電池システムの規模や原料の供給事情などの諸条件を考慮して定めればよいが、通常は、メタノール、メタンもしくはＬＮＧ、プロパンもしくはＬＰＧ、ナフサもしくは低級飽和炭化水素、都市ガスなどが好適に使用される。
【００２７】
改質又は部分酸化に属する技術（以下、改質反応等ともいう。）としては、水蒸気改質をはじめ部分酸化、水蒸気改質と部分酸化の複合化したもの、オートサーマル改質、その他の改質反応などを挙げることができる。通常、改質反応等としては、水蒸気改質（スチームリホーミング）が最も一般的であるが、原料によっては、部分酸化やその他の改質反応（例えば、熱分解等の熱改質反応、接触分解やシフト反応等の各種接触改質反応など）も適宜適用することができる。
【００２８】
その際、異なる種類の改質反応を適宜組み合わせて利用してもよい。例えば、水蒸気改質反応は一般に吸熱反応であるので、この吸熱分を補うべく水蒸気改質反応と部分酸化を組み合わせ（オートサーマル改質）てもよいし、水蒸気改質反応等によって副生するＣＯをシフト反応を利用してＨ₂Ｏと反応させその一部を予めＣＯ₂とＨ₂に転化して減少させておくなど各種の組み合わせが可能である。無触媒、または接触的に部分酸化を行った後、その後段で水蒸気改質を行うこともできる。この場合、部分酸化で発生した熱をそのまま吸熱反応である水蒸気改質に利用することもできる。
【００２９】
以下、代表的な改質反応として水蒸気改質反応を中心に説明する。
このような改質反応は、一般に、水素の収率ができるだけ大きくなるように、触媒や反応条件等を選定するが、ＣＯの副生を完全に抑制することは困難であり、たとえシフト反応を利用しても改質ガス中のＣＯ濃度の低減には限界がある。実際、メタン等の炭化水素の水蒸気改質反応については、水素の得率及びＣＯの副生の抑制のために、次の式（２）あるいは式（３）：
ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ → ４Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ （２）
Ｃ_nＨ_m＋２ｎＨ₂Ｏ →（２ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂＋ｎＣＯ₂ （３）
で表される反応ができるだけ選択性よく起こるように諸条件を選定するのが好ましい。
【００３０】
また、同様に、メタノールの水蒸気改質反応については、次の式（４）：
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂＋ＣＯ₂ （４）
で表される反応ができるだけ選択性よく起こるように諸条件を選定するのが好ましい。
更に、ＣＯを前記（１）式で表されるシフト反応を利用して変成改質しても、このシフト反応は平衡反応であるのでかなりの濃度のＣＯが残存する。したがって、こうした反応による改質ガス等（本発明の原料である水素含有ガス、以下同じ）中には、多量の水素の他にＣＯ₂や未反応の水蒸気等と若干のＣＯが含まれることになる。
【００３１】
前記改質反応に有効な触媒としては、原料（燃料）の種類や反応の種類あるいは反応条件等に応じて多種多様なものが知られている。その中のいくつかを具体的に例示すると、炭化水素やメタノール等の水蒸気改質に有効な触媒としては、例えば、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−Ｃｒ₂Ｏ₃系触媒、担持Ｎｉ系触媒、Ｃｕ−Ｎｉ−ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−Ｎｉ−ＭｇＯ系触媒、Ｐｄ−ＺｎＯ系触媒などを挙げることができ、また、炭化水素類の接触改質反応や部分酸化に有効な触媒としては、例えば、担持Ｐｔ系触媒、担持Ｎｉ系触媒、担持Ｒｕ系触媒などを挙げることができる。改質装置としても特に制限はなく、従来の燃料電池システム等に常用されるものなど任意の形式のものが適用可能であるが、水蒸気改質反応や分解反応等の多くの改質反応は吸熱反応であるので、一般に、熱供給性のよい反応装置もしくは反応器（熱交換器型の反応装置など）が好適に使用される。そのような反応装置としては、例えば、多管型反応器、プレートフィン型反応器などがあり、熱供給の方式としては、例えば、バーナー等による加熱、熱媒による方法、部分酸化を利用する触媒燃焼による加熱などがあるが、これらに限定されるものではない。改質反応の反応条件は、用いる原料、改質反応、触媒、反応装置の種類あるいは反応方式等の他の条件によって異なるので適宜定めればよい。いずれにしても、原料（燃料）の転化率を十分に（好ましくは１００％あるいは１００％近くまで）大きくし、かつ、水素の得率ができるだけ大きくなるように諸条件を選定するのが望ましい。また、必要に応じて、未反応の炭化水素やアルコール等を分離しリサイクルする方式を採用してもよい。また、必要に応じて、生成したあるいは未反応のＣＯ₂や水分等を適宜除去してもよい。
【００３２】
２．ＣＯの選択的酸化除去工程
上記のようにして、水素含有量が多く、かつ、炭化水素やアルコール等の水素以外の原料成分が十分に低減された所望の改質ガスを得る。
本発明においては、水素を主成分とし少量のＣＯを含む原料ガス（改質ガス等）に酸素を添加してＣＯを選択的に酸化してＣＯ₂とするものであり、水素の酸化は極力抑える必要がある。また、生成したり、原料ガス中に存在したＣＯ₂のＣＯへの転化反応（原料ガス中には水素が存在するので、逆シフト反応が起こる可能性がある。）を抑えることも必要である。本発明の触媒は、通常、還元状態で使用されるので、還元状態に成っていない場合は水素による還元操作を行っておくことが好ましい。本発明の触媒を使用すると、ＣＯ₂含有量の低い原料ガスに対してＣＯの選択的酸化除去に良好な成績を示すことは勿論、ＣＯ₂含有量が多い条件でも良好な成績が得られる。通常、燃料電池システムにおいては一般的なＣＯ₂の濃度の改質ガス等、すなわち、ＣＯ₂を５〜３３容量％、好ましくは１０〜２５容量％、更に好ましくは１５〜２０容量％含有するガスが用いられる。
【００３３】
一方、水蒸気改質等により得られる原料ガス中には、通常、スチームが存在するが、原料ガス中のスチーム濃度は低い方がよい。通常は、５〜３０容量％程度含まれておりこの程度であれば問題はない。
また、本発明の触媒を使用すると、ＣＯ濃度が低い（０．６容量％以下）原料ガス中のＣＯ濃度も有効に低減でき、ＣＯ濃度が比較的高い（０．６〜２．０容量％）原料ガス中のＣＯも好適に低減することができる。
【００３４】
本発明の方法においては、前記の本発明の触媒を用いることにより原料ガス中にＣＯ₂が１５容量％以上存在するような条件でも６０〜３００℃という比較的高い温度を含む温度域においてＣＯの選択転化除去を効率的に行うことができる。また、ＣＯの転化除去反応は同時に起こる副反応の水素の酸化反応と同様、発熱反応であり、そこで発熱した熱を回収して燃料電池内で活用することは発電効率を向上させる上で効果がある。
【００３５】
改質ガス等に酸素ガスを添加する場合、通常、純酸素（Ｏ₂）、空気あるいは酸素富化空気が好適に使用される。該酸素ガスの添加量は、Ｏ₂／ＣＯ（モル比）が好ましくは、０．５〜５、更に好ましくは１〜４となるように調整するのが適当である。この比が小さいとＣＯの除去率が低くなり、大きいと水素の消費量が多くなり過ぎて好ましくない。
【００３６】
反応圧力は特に限定されないが、燃料電池の場合は通常、常圧〜１ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）、好ましくは常圧〜０．５ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）の圧力範囲で行う。反応圧力をあまり高く設定すると、昇圧のための動力をその分大きくする必要があるので経済的に不利になるし、特に、１ＭＰａ（Ｇａｕｇｅ）を超えると高圧ガス取締法の規制を受けるし、また、爆発限界が広がるので安全性が低下するという問題も生じる。前記反応は、通常、６０℃以上、好ましくは、６０〜３００℃という非常に広い温度範囲で、ＣＯ転化反応に対する選択性を安定的に維持しつつ、好適に行うことができる。この反応温度が６０℃未満では反応速度が遅くなるので実用的なＧＨＳＶ（ガス体積空間速度）の範囲ではＣＯの除去率（転化率）が不十分となりやすい。
【００３７】
また、前記反応は、通常、ＧＨＳＶを５，０００〜１００，０００ｈｒ^-1の範囲に選定して行うのが好適である。ここで、ＧＨＳＶを小さくすると多量の触媒が必要となり、一方、ＧＨＳＶをあまり大きくするとＣＯの除去率が低下する。好ましくは、６，０００〜６０，０００ｈｒ^-1の範囲に選定する。このＣＯの転化除去の工程におけるＣＯの転化反応は発熱反応であるため、反応により触媒層の温度は上昇する。触媒層の温度が高くなりすぎると、通常、触媒のＣＯ転化除去の選択性が悪化する。このため、少量の触媒上であまり多くのＣＯを短時間で反応させることは好ましくない。その意味からもＧＨＳＶは大きすぎない方がよい場合もある。
【００３８】
このＣＯの転化除去に用いる反応装置としては、特に制限はなく、上記の反応条件を満たせるものであれば各種の形式のものが適用可能であるが、この転化反応は発熱反応であるので、温度制御を容易にするために反応熱の除去性のよい反応装置もしくは反応器を用いることが望ましい。具体的には、例えば、多管型、あるいは、プレートフィン型等の熱交換型の反応器が好適に使用される。場合によっては、冷却媒体を触媒層内に循環したり、触媒層の外側に冷却媒体を流通させたりする方法を採用することができる。
【００３９】
こうして本発明の方法によって製造された水素含有ガスは、上記のようにＣＯ濃度が十分に低減されているので燃料電池の白金電極触媒の被毒及び劣化を十分に低減することができ、その寿命及び発電効率・発電性能を大幅に向上することができる。また、このＣＯの転化反応により発生した熱を回収することも可能である。また、比較的高濃度のＣＯを含む水素含有ガス中のＣＯ濃度を十分に低下することができる。燃料電池用の水素含有ガス中のＣＯ濃度は２００容量ｐｐｍ以下、好ましくは５０容量ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０容量ｐｐｍ以下であることが望ましいが、本発明の方法によれば広い反応条件下でこれを達成することは十分可能である。
【００４０】
本発明により得られた水素含有ガスは、各種の水素−酸素燃料電池の燃料として好適に使用することができ、特に、少なくとも燃料極（負極）の電極に白金（白金触媒）を用いるタイプの各種の水素−酸素燃料電池（リン酸型燃料電池、ＫＯＨ型燃料電池、固体高分子型燃料電池をはじめとする低温作動型燃料電池など）への供給燃料として有利に利用することができる。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例になんら制限されるものではない。
〔実施例１〕
硝酸ルテニウム水溶液（Ｒｕの含有量；５０ｇ／リットル）２ｃｃを全体でアルミナ担体の吸水量になるように水を加えて含浸液とした。次いで、細孔半径１９Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末１０ｇに上記含浸液を含浸させ１２０℃で２時間乾燥させ触媒１を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４２】
〔実施例２〕
実施例１において、γ−アルミナを細孔半径２９Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒２を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４３】
〔比較例１〕
実施例１において、γ−アルミナを細孔半径２００Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒３を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４４】
〔実施例３〕
硝酸ルテニウム水溶液（Ｒｕの含有量；５０ｇ／リットル）２ｃｃを全体でアルミナ担体の吸水量になるように水を加えて含浸液とした。次いで、細孔半径１９Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末１０ｇに上記含浸液を含浸させ１２０℃で２時間乾燥させた後、５００℃で４時間焼成し触媒４を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４５】
〔実施例４〕
実施例３において、γ−アルミナを細孔半径２９Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒５を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４６】
〔比較例２〕
実施例３において、γ−アルミナを細孔半径２００Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒６を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４７】
〔実施例５〕
硝酸ルテニウム水溶液（Ｒｕの含有量；５０ｇ／リットル）２ｃｃ及び硝酸カリウム０．０２６ｇを全体でアルミナ担体の吸水量になるように水を加えて含浸液とした。次いで、細孔半径１９Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末１０ｇに上記含浸液を含浸させ１２０℃で２時間乾燥させ触媒７を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であり、Ｋの担持量は０．１質量％（担体基準）であった。
【００４８】
〔実施例６〕
塩化ルテニウム（水和物）（Ｒｕの含有量；３９．１５質量％）０．２５５４ｇをアルミナ担体の吸水量分の水に溶解させ含浸液とした。次いで、細孔半径１９Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末１０ｇ担体に上記含浸液を含浸させ１２０℃で２時間乾燥させ触媒８を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００４９】
〔比較例３〕
実施例６において、γ−アルミナを細孔半径２００Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒９を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００５０】
〔実施例７〕
塩化ルテニウム（水和物）（Ｒｕの含有量；３９．１５質量％）０．２５５４ｇをアルミナ担体の吸水量分の水に溶解させ含浸液とした。次いで、細孔半径１９Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末１０ｇに上記含浸液を含浸させ１２０℃で２時間乾燥させた後、５００℃で４時間焼成し触媒１０を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００５１】
〔比較例４〕
実施例７において、γ−アルミナを細孔半径２００Åに細孔分布の極大値を有するものに変えたこと以外は同様にして触媒１１を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であった。
【００５２】
〔実施例８〕
ルチル型チタニア粉末（石原産業社製、ＣＲ−ＥＬ）１６０ｇと擬ベーマイトアルミナ粉末（触媒化成工業社製、Ｃａｔａｌｏｉｄ−ＡＰ）５９．７ｇをビーカー中でよく混合した後、混練機に入れた。そこにイオン交換水を加え、充分混練し、かつ温度をかけて、押出成形に適当な固さに水分を調整した。これに押出成形機を用いて直径２ｍｍの円柱状に成形し、１２０℃、２４時間乾燥させ、続いて、５００℃、２４時間焼成した。この時擬ベーマイトアルミナはγ−アルミナに変化し、その細孔半径２５Åに細孔分布の極大値を有していた。この成形体のチタニア／アルミナの質量比は８０／２０であった。
【００５３】
上記成形体（担体）を０．５〜１ｃｍの長さに揃えたものに以下の方法でルテニウムとカリウムを担持した。
塩化ルテニウム（Ｒｕ含有量；３８．０３質量％）０．２６３ｇ及び硝酸カリウム０．０２６ｇの水に溶解させ混合溶液を含浸液とした。この含浸液を上記成形体１０ｇに含浸させ、６０℃で１２時間乾燥させた。これを５００℃で４時間焼成して触媒１２を得た。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であり、Ｋの担持量は０．１質量％（担体基準）であった。
【００５４】
〔実施例９〕
実施例８において、擬ベーマイトアルミナ粉末を細孔半径４５Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末に変え、その量も４０ｇにしたこと以外は同様にして触媒１３を調製した。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であり、Ｋの担持量は０．１質量％（担体基準）であった。
【００５５】
〔比較例５〕
実施例８において、擬ベーマイトアルミナ粉末を細孔半径１５０Åに細孔分布の極大値を有するγ−アルミナ粉末に変え、その量も４０ｇにしたこと以外は同様にして触媒１４を調製した。Ｒｕの担持量は１．０質量％（担体基準）であり、Ｋの担持量は０．１質量％（担体基準）であった。
【００５６】
ＣＯの選択的酸化反応
各触媒を１６〜３２メッシュに揃え、マイクロリアクターに触媒を１ｃｃ充填し、下記の条件で反応を行った。リアクター出口のＣＯの濃度（容量ｐｐｍ）を第１表に示す。

なお、実施例８，実施例９，比較例５においては、下記のガス組成で実施した。

【００５７】
【表１】

【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、特定の細孔分布を有するアルミナを担体に使用することにより、触媒活性が改良された水素含有ガス中のＣＯ除去触媒を製造することができる。

Claims

アルミナ又はアルミナ−チタニアを担体とし、該担体に活性金属化合物を担持する水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法において、細孔半径１００Å以下に細孔分布の極大値を有するアルミナを使用することを特徴とする水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
アルミナが細孔半径６０Å以下に細孔分布の極大値を有するものである請求項１記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
活性金属化合物がルテニウム化合物（ａ）である請求項１又は２に記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
活性金属化合物がルテニウム化合物（ａ）と、アルカリ金属化合物及び／又はアルカリ土類金属化合物（ｂ）からなるものである請求項１〜３のいずれかに記載の水素含有ガス中のＣＯ除去触媒の製造方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法により製造された水素含有ガス中のＣＯ除去用触媒。
請求項５記載の触媒を使用してＣＯを酸素で酸化して除去することを特徴とする水素含有ガス中のＣＯの除去方法。
水素含有ガスが、燃料電池用水素含有ガスである請求項６記載の水素含有ガス中のＣＯの除去方法。